油气管道桁架跨越结构节点力学性能研究.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 4期 石 油机械 CHI NA PE TROL EUM MACHI NERY 一2 3 一 ●试验研究 油气管道桁架跨越结构节点力学性能研究 王召 民 1 ．中石化 中原油田普光分公 司 陈 誉 2 ．中原油田博士后科研工作站 摘要 对油气管道桁架跨越结构节点进行力学性能试验与有限元分析，研究节点的破坏模式 和极限承载力 ，并将空钢管和浇灌混凝土钢管混凝土 节点进行对 比试验 ，得 出如下结论 1 2 种类型节点的破坏模 式基本相 同，破坏 时节点受压 支管近 主管处 翼缘板和腹板均发生局部 屈 曲， 主管无任何破坏现象和 明显变形，节点 中浇灌混凝土对破坏模式没有显著影响； 2 在主管中浇 灌混凝土可使节点极限承载力明显增 大，但是 其极 限变形减小； 3 节点加载达 到极 限承载力 时，空钢管试件 节点区域的主管上管壁部分屈服 ，而钢管混凝土试件主管管壁还处于弹性状态。 关键词 油气管道 桁架跨越 节点 力学性能 0 引 言 目前 ，油气管道桁架跨越结构设计方法均借鉴 屋盖桁架结构的设计思路和方法 ，但这 2种方法在 结构柔度 、荷载作用位置 、荷载类型以及截面类型 等方面有许多不同。因此 ，迫切需要建立对管道桁 架跨越结构受力性能的分析方法 以及可供工程应用 的管道桁架跨越结 构 的设计 方法 J 。由于相贯 节 点杆件和节点设计的独立性减弱 ，决定杆件承载 l生 能的材料和几何要素也同时决定 了节点的性能。如 何寻求杆件和节点力学性能的最佳结合点，是各 国 研究者一直探讨 的问题l 2 I 4 J 。油气管道桁 架跨越工 程 中采用相贯节点的钢管结构并不是按照与杆件等 强的原则来进行节点设计的，节点承载能力低于杆 件极限承载力的情况并不少见 ，它往往先于杆件进 入非弹性变形阶段 ，因此相贯节点力学性能对油气 管道桁架跨越结构的安全非常重要。鉴于此 ，笔者 以实际工程为试验背景 ，结合非线性有 限元分析 ， 进行桁架跨越结构节点的力学性能研究。 1 试验设计 1 ． 1 节点试件 从研究角度 出发，设 计 了 2个桁架 节点试件， 管材均为 Q 2 3 5 B圆钢管。试件 C SH和 C SC分 别为主管中未浇灌混凝土和浇灌混凝土的钢管节点 ， 主管中浇灌的混凝土等级为 C 1 5 。节点试件编号及 参数见表 1 。其中腹 、弦杆直径 比 d ／ d ，弦杆径 厚 比 2 t ，腹 、弦杆厚度比 rt i ／ t ，腹 、弦 杆之间的夹角为 0 。节点试件区域加工细节见图 1 。 表 1 平面 K形钢 管节点试件参数 基金项 目国家科技重大专项 “ 大型油气 田及煤层气开发技术” 2 0 0 8 Z X 0 5 0 1 7 。 侧面区域 b ． 顶面 图 1 节点 区域加工 细节示意图 ． - 2 4．- 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第4期 1 ． 2 加载装置 试验采用实验室中梯形反力桁架作为加载和反 力装置。试件 2个支管的端部通过采用剪力销实现 的拉压铰连接在反力桁架上。试验时通过油压千斤 顶由下向上施加轴向压力 ，使 2个腹杆分别受压和 受拉。试件加载装置和试件分别见图 2和图 3 。 2 1 千斤顶3 2、 ／／ ＼ 载荷 1 ／ 安验室地面 ＼ 图 2 加载装置 1 、3 一底板 ；2 一 耳板 ；4 一加载板。 图 3平 面 K 形 节 点试 件 1 一耳板 ；2 --底板 ；3 一加劲板 ；4 一 支 管 方 管 ； 5 一 主管 圆管 。 1 ． 3 加载方案 单调静力加载时 ，在试验节点的右上端部施加 向下竖 向载荷。分级加载阶段每 1 0 k N为 1 级 ，共 加 1 0级 ，最后连续加载至破坏。 1 ． 4 试验系统 试验系统包括试验加载及测试系统 、数据采集 系统和监 控系统。主要设 备及测 试仪 器型号 为 D H 3 8 1 6数据采集 系统 ；B F一1 2 02 A 电阻应 变 计 ；Y H D一 5 0 、Y H D～ 3 0型、Y H D一1 0 0型位移传 感器 ；Y Q一3 2 0液压千斤顶 、Y Q一5 0 0液压千斤 顶 、Y Q一1 0 0液压千斤顶。试验系统流程见图 4 。 I “ I 试 件HH 警 墨 厂 叫 位移测试 I 千 斤顶 载荷传 感器 图 4 试验 系统流程 计算 机 监 控 监控者 2 试验结果 2 ． 1 材料 性能 对跨越结构钢管节点试件的腹杆管材以及弦杆 管材进行了力学性能试验 标准试件从对应 的管 材上取样 ，其结果见表 2 。 表 2 试件力学性能试验结果 2 ． 2 节点破坏模式 平面 K形钢管节 点和钢管混凝 土节 点的破坏 模式分别如图5 a和图 5 b所示 。由图可知，2种类 型节点的破坏模式基本相同，破坏时节点受压支 图 5 节 点破 坏 模 式 管近主管处翼缘板和腹板均发生局部屈曲，主管无 任何破坏现象 和明显 变形。节点破坏 时 ，平面 K 形钢管节点发生平 面外失稳现象 ，平面 K形钢管 混凝土节点中主管内的混凝土从两端被挤出。由此 可知节点 中浇灌混凝土对破坏模式没有显著影响。 2 ． 3 竖向载荷． 悬臂端位移曲线 图6为试件 C SH和 C SC的竖向载荷与试 件悬臂端位移的关系曲线 ，图中纵坐标为施加在试 件上的竖向载荷总值 F 即为施加在试件下端的悬 臂端的千斤顶载荷 ，横坐标为弦杆加载端 的位移 S 。竖向载荷 、悬臂端位 移均以向上 为正，向下 为 负。由图可知 ，主管中浇灌混凝土后导致节点试件 的竖向载荷最大值增大，但极限变形有所减小。 2 0 1 0年 第3 8卷 第4期 王召民等油气管道桁架跨越结构节点力学性能研究 s ／ mm a CS H 图6 竖向载荷一 悬臂端位移 曲线 2 ． 4 支管轴力一 主管管壁沿腹杆轴 向变形 曲线 图7为试件 的支管轴力． 主管管壁 沿腹杆轴 向 变 形 曲线 。 图中纵坐标为腹杆轴 力Ⅳ， 取 各杆轴力 h／ mm b CS ． C 受托支管 h ／ mm 图7轴力一 管壁 变形 曲线 的理论计算值 ，横坐标为主管管壁沿腹杆轴 向的变 形 h ；腹杆轴力 以受拉为正 ，受压 为负；变形 以弦 杆管壁突出为正 ，凹进为负 。由图可知 ，在主管 中 浇灌混凝 土后可使受压和受拉支管极 限轴力明显增 大 ，但是其极 限变形减 小 ，与竖 向荷 载． 悬臂 端位 移 曲线规律类似。 2 ． 5 节点区测点的载荷。 应变 曲线 图 8为试件 C SH和 C SC节点 区弦杆上测 点的轴力． 管壁应变 曲线 ，图中横坐标为微应 变值 ，纵坐标为相应 杆件的 内力 。弦杆轴力根据节 点弦杆上应变片的实 际测量值换算 ，以受拉为正 ， 受压为负。由图可知 ，当节点加载达到极 限承载力 时 ，C S H试件节点区域 的主管上管壁部分屈服 ， 而 C SC试件主管管壁还处于弹性状态。 ＼ 一第 椭变 。 l l ● ● 十第 乏 应变 、4 0 f a ． CS H 1 8 0 _ 1 4 0 ／ ． ＼ 12i 一第一丰成变 图 8 主 管测点轴力一 管壁应 变曲线 3 有限元计算分析 O0 运用有限元软件 A N S Y S对试验节点进行不考 虑残余应力影响的弹塑性大变形分析。圆钢管采用 B r i c k 4 5单元 建模 ，混凝 土采用 8节点实体单 元 S o l i d 6 5 J ，进行映射 网格和 自由网格混合划分 ， 钢管与水泥石之间的相互作用则用面与面的接触单 元对 C o n t a c t 1 7 0与 C o n t a c t 1 7 3来模拟 ，研究 圆钢管 和圆钢管混凝土节点的极限承载力 。 考虑到实际工程情况和节点的受力状态 ，并参 考 国内有关资料 ，弦杆边界按固定端考虑 ，固定端 采用面约束 。由于节点主要承受轴力作用 ，腹杆边 界仅允许沿杆轴方 向有位移 ，径 向位移被约束 。腹 一 2 6一 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 4期 杆和弦杆均保证 由两相交杆件的根部开始外伸 3倍 的管直径 ，以消除端部加 载条件对节点 区域 的影 响 。 目前管节点有限元分析中的焊缝模拟主要有考 虑焊缝 的板 壳 模 型 和不 考虑 焊 缝 的 实体 模 型 2 种_ 9 。前者的板壳元不能真实模拟实际焊缝 的 三维受力状况，后者未建立焊缝模型、或建立不精 确的连接焊缝 ，亦会影响相贯节点的性能分析。笔 者建立有限元分析模型时考虑 了实际焊缝 的存在， 对节点的连接焊缝进行模拟 ，焊脚尺寸同实际测量 结果 ，焊材力学性能同母材性能。焊缝模型不考虑 焊接残余应力 的影响。 节点极限承 载力取 极 限强 度准则 状 态 I 和极限变形准则 状态 I I [ 3 1 二者 中的较小值 ，节 点极限承载力再取为两者的较小绝对值。 节点极限承载力试验结果和有限元计算结果见 表 3 。从表 中可以看出，有限元计算 的节点极 限承 载力结果与试验结果 的偏差在 1 0 ％以 内，产生偏 差的原因如下 1 有限元分析时采用具有强化段的弹塑性 材料模 型 ，而实 际 的材 料性 能 曲线 与 此模 型 有 差异； 2 建模时虽 然模 拟 了焊缝单元 ，但设置 的 均是角焊缝模型，与实际焊缝构造有所不同，此处 未计人残余应力 的影响； 3 在加载过程 中，千斤顶加载存在一定 的 偏心 ； 4 有限元分 析模 型与试验所采用 的节点试 件的差异造成的影响。 尽管计算结果与试验结果存在一定偏差 ，但偏 差不大 ，所以采用实体有限元方法对这种形式的节 点进行极限承载力的参数分析是可行的。 表3 节点极限承载力试验结果和有限元计算结果 4 结 论 1 空钢管与浇灌混凝土钢管混凝土节点 的 破坏模式基本相同，破坏时节点受压支管近主管处 翼缘板和腹板均发生局部屈曲，主管无任何破坏现 象和明显变形 ，节点中浇灌混凝土对破坏模式没有 显著影响。 2 在主管 中浇灌混凝土可使节点极限承载 力明显增大 ，但是其极限变形减小。 3 节点加载达到极 限承载力 时，空钢管试 件节点区域的主管上管壁部分屈服 ，而钢管混凝土 试件主管管壁还处于弹性状态。 参考文献 G B 5 0 4 5 9 --2 0 0 9油 气输 送 管道跨 越 工程 设 计规 范 [ S ]． 2 0 0 9 ． 陈以一，沈祖炎 ，翟红，等 ．圆钢管相贯节点滞 回性能的实验研究 [ J ]．建筑结构学报，2 0 0 3 ，2 4 6 5 76 2 ． 赵宪忠，陈誉，陈以一，等 ．平面 K型圆钢管搭 接节点静力性能的实验研究 [ J ]．建筑结构学报， 2 0 0 6 ，2 7 4 2 3 2 9 ． 陈誉，赵宪忠，陈以一，等 ．平面 K型圆钢管搭 接节点有 限元参 数分析与极 限承载力计算公 式 [ J ]． 建筑结构学报 ． 2 0 0 6 ，2 7 4 3 0 3 6 ． De x t e r E M ，Le e M M K．S t a t i c s t r e n g t h o f a x i a l l y l o a d e d t u b u l a r K j o i n t s ．IB e h a v i o r[ J ]． J ． S t r u c t ． E n g r g ． ，A S C E，1 9 9 9，1 2 5 2 1 9 4～ 2 0 1 ． D e x t e r E M，L e e M M K ． S t a t i c s t r e n gth o f a x i a l l y l o a d e d t u b u l a r K j o i n t s l I U l t i m a t e c a p a c i t y [ J ]． J ． S t r u c t ． E n g r g ． ，A S C E， 1 9 9 9 ，1 2 5 2 2 0 2 21 0． G B 5 0 0 1 0 --2 0 0 2混凝土结构设计规范 [ S ]． 2 0 0 2 ． Wa r d e n i e r J ． Ho l l o w s e c t i o n s i n s t r u c t u r a l a p p l i c a t i o n s [ M]． T h e N e t h e r l a n d s ，2 0 0 2 ． E u r o c o d e 3De s i g n o f s t e e l s t r u c t u r e s ， p a r t 18De s i g n o f J o i n t s[ S ]． B S E N 1 9 9 31 8 ，2 0 0 5 ． ANS I ／ AWS D1 ． 1 -- 2 0 0 0， A． W ． S S t r u c t u r a l w e l d i n g c o d es t e e l[ S ]． 1 7 t h e d ，A m e r i c a n We l d i n g So ci e t y，20 0 0． 第一作者简介王召民，教授级高级工程师，生于 1 9 6 3年，2 0 0 7年毕业于中国石油大学 华东油气储运工 程专业，获硕士学位，主要研究方 向为油气集输工程、天 然气处理装置、石油化工装置和建筑市政等工程建设。地 址 6 3 5 0 0 0四 川 省 达 州 市 。E m a i l k i n k i n g i n g i n 1 6 3．c o n。 收稿 日期 2 0 1 0 0 1 3 l 本文编辑丁莉萍 ]J]J]j]J]●J] J 1{ I二